暨南大學團隊實現分離材料新突破

2021年07月23日04:09

原標題:暨南大學團隊實現分離材料新突破

  廣州日報訊 (全媒體記者曾俊)7月21日,國際頂尖學術期刊《自然》(Nature, 2021, 595, 542–548)在線發表了暨南大學化學與材料學院陸偉剛教授和李丹教授研究團隊的研究成果《Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures》,該研究提出了一種新的分離機製,成功解決了傳統分子篩吸附動力緩慢和吸附量低的問題,未來進入工業級應用之後,對於我國實現碳達峰、碳中和具有重要價值。

  成功設計出至關重要的“口袋”

  丙烯是全球產量最高的基礎有機化工原料之一,年產量超過1億噸。工業上,丙烯主要通過石油催化裂解或丙烷脫氫來製備。聚合級丙烯主要用於生產聚丙烯。放眼四周,小到聚丙烯(PP)塑料瓶、晶瑩剔透的“有機玻璃”和嬰兒的尿不濕,大到家電外殼和汽車零部件等都是丙烯深加工的產物,聚丙烯在防疫中更大顯身手,是防護口罩、防護服熔噴無紡布專用料,也是注射器、護眼罩和輸液瓶等的生產原料。

  然而,丙烷裂解生產丙烯這一技術在工業上不能直接得到聚合級(高純度)的丙烯(≥99.5%)。為了去除殘留的丙烷,工業上往往以高昂的設備投資和巨大的能量消耗作為代價。因此,在當今,迫切需要開發出低能耗的丙烯純化技術。分子篩是一種很成熟的分離材料,已被廣泛應用於石油化工、煤化工、空氣分離與淨化、環境治理等多個領域。但是,分子篩吸附劑的應用也存在許多挑戰,例如,精確的孔徑設計困難,吸附動力學緩慢和吸附量低。

  為解決上述問題,暨南大學化學與材料學院陸偉剛教授和李丹教授研究團隊提出了一種新的分離機製:正交陣列動態篩分,在由金屬節點和有機配體通過自組裝形成的一類具有確定組成與結構和多樣化孔道的新興晶態多孔材料金屬-有機框架上,成功解決了傳統分子篩吸附動力學緩慢和吸附量低的問題。

  2019年3月,研究人員首次設計、開發併合成的基於該篩分機製的金屬-有機框架材料(被命名為JNU-3),其一維通道帶有嵌入的動態分子口袋,可以在本質上不同的壓力下高效地分離丙烯/丙烷(1/1)混合物,每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合級(99.5%)的丙烯,具有迄今為止最佳的丙烯/丙烷分離性能,實現了丙烯/丙烷分離領域的突破性進展,為設計下一代分離材料指出了新的方向。

  外國同行第一時間表示祝賀

  研究還發現,丙烯/丙烷(50/50)混合物在298 K下以1mL/min的總流速流過填充床,丙烷首先通過,未被丙烯汙染,收集到的丙烷純度不低於99.99%。一段時間後吸附劑達到飽和,丙烯發生穿透,出口氣流中的丙烯和丙烷迅速達到等摩爾濃度,表現出JNU-3材料的優異突破性。在丙烯的脫附過程中,根據丙烯的解吸曲線,混合氣體流速為1.6mL/min時,丙烯的生產能力和純度分別為34.2L/kg(99.5%)、53.5 L/kg(99.5%),即使在50%相對濕度的潮濕條件下,流速為6.0mL/min等摩爾丙烯/丙烷混合氣,丙烯分離的生產能力也高達44.9L/kg(99.5%)。材料性能均明顯優於目前全球所有文獻報導的材料。

  據瞭解,獲知這一研究成果發表後,7月21日晚,來自英國劍橋大學、美國北得克薩斯州大學的教授給團隊寫郵件表示祝賀,稱他們為該領域提供了全新的思路和可借鑒的價值。

  陸偉剛/李丹教授研究團隊長期致力於超分子配位功能材料的分子設計、合成技術、晶體工程和材料創製,探索這些材料在能源、環境和生物醫藥等領域的應用。已發展了“柔性框架材料誘導鍥合機製(JNU-1)”和“籠狀腔體多層篩分機製(JNU-2)”等新型能源氣體吸附分離理論和概念。

  李丹教授表示,該研究可能被廣泛應用至石油化工、疫情防控、醫療衛生等多個領域,“我們期待能盡快和工業界開展合作,將在實驗室的科研成果轉化為實際應用,能節約大量能耗,降低成本,而且所需設備要簡單得多”。

  他透露,接下來團隊將繼續深化研究,力爭設計出更好的分離機製。

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